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ELETROELETRONICA APLICADA

DIOGO OLIVEIRA

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A única modificação que um átomo pode sofrer sem que haja reações de alta liberação e/ou absorção de energia é a perda ou ganho de elétrons.

Por isso, um corpo é chamado neutro se ele tiver número igual de prótons e de elétrons, fazendo com que a carga elétrica sobre o corpo seja nula.

Pela mesma analogia podemos definir corpos eletrizados positivamente e negativamente.

ELETRIZAÇÃO

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Um corpo eletrizado negativamente tem maior número de elétrons do que de prótons, fazendo com que a carga elétrica sobre o corpo seja negativa.

Um corpo eletrizado positivamente tem maior número de prótons do que de elétrons, fazendo com que a carga elétrica sobre o corpo seja positiva.

Eletrizar um corpo significa basicamente tornar diferente o número de prótons e de elétrons (adicionando ou reduzindo o número de elétrons).

ELETRIZAÇÃO

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Podemos definir a carga elétrica de um corpo (Q) pela relação:

onde:Q= Carga elétrica, medida em coulomb no SIn= quantidade de cargas elementares, que é uma grandeza adimensional e têm sempre valor inteiro (n=1, 2, 3, 4 ...)e= carga elétrica elementar

ELETRIZAÇÃO

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Eletrização por atrito 

Quando dois corpos inicialmente neutros são atritados, se eletrizam e, em virtude do atrito ocasionado, um corpo ficará com carga positiva e o outro com carga negativa.

PROCESSOS DE ELETRIZAÇÃO

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Eletrização por contato

Quando dois corpos (um eletrizado e outro inicialmente neutro) entram em contato, o corpo neutro fica com a mesma carga do eletrizado.

PROCESSOS DE ELETRIZAÇÃO

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Eletrização por indução É quando a eletrização de um corpo inicialmente neutro (induzido) acontece por simples aproximação de um corpo carregado (indutor), sem que haja contato entre os corpos.

O induzido deve estar ligado a Terra ou a um corpo maior que possa lhe fornecer elétrons ou que dele os receba num fluxo provocado pela presença do indutor.

PROCESSOS DE ELETRIZAÇÃO

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Os condutores de eletricidade são meios materiais que permitem facilmente a passagem de cargas elétricas. O que caracteriza um material como condutor é a camada de valência dos átomos que constituem o material.

Camada de valência é a última camada de distribuição dos átomos. Em razão da grande distância entre essa última camada e o núcleo, os elétrons ficam fracamente ligados com o núcleo, podendo, dessa forma, abandonar o átomo em virtude das forças que ocorrem no interior dos átomos.

CONDUTORES

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Esses elétrons que abandonam o átomo são chamados de “elétrons livres”. Os metais no geral são bons condutores de eletricidade, pois eles possuem os elétrons livres.

Os materiais condutores têm larga utilização no dia-a-dia. São utilizados, por exemplo, nos fios condutores de eletricidade e na indústria de eletroeletrônicos, entre muitas outras utilizações.

CONDUTORES

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Exemplo de condutores:a. Metais (cobre, alumínio, ferro etc.) e algumas ligas

metálicas;b. Grafite;c. Soluções aquosas (de sulfato de cobre, de ácido sulfúrico

etc.);d. Água da torneira, água salgada, água ionizada (piscinas)e. Ar úmido

CONDUTORES

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Os materiais isolantes fazem o papel contrário dos condutores, eles são materiais nos quais não há facilidade de movimentação de cargas elétricas.

Esses materiais são assim caracterizados porque os elétrons da camada de valência estão fortemente ligados ao núcleo, não permitindo dessa forma que ocorra a fuga dos mesmos.

Os materiais isolantes são largamente utilizados, assim como os materiais condutores. São utilizados, por exemplo, na parte externa dos fios, encapando-os para melhor conduzir a eletricidade.

ISOLANTES

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Exemplos de materiais isolantes:a. Borracha;b. Silicone;c. Vidro;d. Cerâmica;e. Baquelite;f. Mica.

ISOLANTES

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Muito utilizado em equipamentos eletrônicos, os semicondutores são sólidos capazes de mudar sua condição de isolante para condutores com grande facilidade. Isso se deve ao fato de que os semicondutores possuem uma banda proibida intermediária.

A banda proibida é a região localizada entre as bandas de valência, ou camada de valência do átomo, e a banda de condução (região onde, sob ação de um campo elétrico, se forma a corrente elétrica).

SEMICONDUTORES

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Quando os elétrons recebem certa quantidade de energia, eles se tornam livres e saem da camada de valência para a camada de condução.

A condutividade dos semicondutores pode ser alterada variando-se a temperatura, o que faz com que atinjam uma condutividade semelhante a dos metais.

A condutividade dos semicondutores provenientes de excitações térmicas é denominada condutividade intrínseca.Os semicondutores podem ser de silício ou germânio, utilizados para a fabricação de componentes eletrônicos, como, por exemplo, os transistores.

SEMICONDUTORES

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SEMICONDUTORES

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DOPAGEM A dopagem é um processo químico no qual átomos

estranhos são introduzidos na estrutura cristalina de uma substância.

Em um cristal semicondutor a dopagem é geralmente realizada para alterar suas propriedades elétricas.

SEMICONDUTORES

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SEMICONDUTORES TIPO N

Insere-se na estrutura cristalina, á tomos contendo excesso de um elétron de valência em relação aos átomos da rede.

SEMICONDUTORES

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SEMICONDUTORES TIPO N

Inserindo vários átomos de impurezas:

SEMICONDUTORES

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SEMICONDUTORES TIPO N

Com a inserção de vários átomos de impurezas, os elétrons livres passam a transitar livremente pelo material, tornando um material isolante (rede cristalina) em material com certo nível de condutividade.

SEMICONDUTORES

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SEMICONDUTORES TIPO P

Insere-se na estrutura cristalina, átomos com a deficiência de um elétron em relação aos átomos da rede.

SEMICONDUTORES

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SEMICONDUTORES TIPO P

Verifica-se a ausência do segundo elétron que comporia o par necessário à formação de uma das ligações com o átomo de índio.Essa ausência de elétron de ligação é denominada de lacuna .

A existência de lacunas permite que haja um mecanismo De condução distinto do tipo N Quando a dopagem produz lacunas no semicondutor, um elétron proveniente de uma ligação covalente só poderá transitar para um ponto do cristal onde haja uma lacuna disponível.

SEMICONDUTORES

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SEMICONDUTORESSEMICONDUTORES TIPO P O movimento de elétrons

de valência ocorre do polo negativo para o polo positivo . As lacunas em um semicondutor dopado se comportam como cargas positivas que podem transitar em um cristal submetido a uma tensão externa aplicada.

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PROPRIEDADES TÉRMICAS

A temperatura exerce influência direta sobre as propriedades elétricas de materiais semicondutores.

Quando a temperatura de um material semicondutor aumenta, o aumento de energia térmica do elétron de valência facilita a sua liberação da ligação covalente de que participa.

Cada ligação covalente que se desfaz por esse processo propicia, portanto, a geração de um par elétron/lacuna a mais na estrutura do cristal.

SEMICONDUTORES

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PROPRIEDADES TÉRMICAS

SEMICONDUTORES

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APLICAÇÕES DOS SEMICONDUTORES

O semicondutor é um material-chave na indústria eletrônica.

Os dispositivos que utilizam o semicondutor são hoje utilizados em todo tipo de circuitos.

Os dispositivos semicondutores mais comuns são o diodo, o transistor e os dispositivos fotossensíveis.

SEMICONDUTORES

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APLICAÇÕES DOS SEMICONDUTORES

Diodo semicondutor: é formado pela junção p e n e tem como utilidade básica permitir o fluxo de corrente elétrica apenas em um sentido (o sentido de polarização direta)

Transistor: é formado pela inserção de um semicondutor tipo p entre dois semicondutores tipo n ou vice-versa. O material do meio é chamado base e os outros, emissor e coletor. O transistor funciona basicamente como um amplificador de corrente se esta for alta (ligeiramente alta) ou como um interruptor de corrente se esta for próxima de zero.

Dispositivos fotossensíveis: dividem-se em Células fotocondutivas: fotoresistores, fotodiodos e fototransistores; e Células fotovoltaicas.

SEMICONDUTORES

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APLICAÇÕES DOS SEMICONDUTORES

As Células fotocondutivas funcionam da seguinte forma: Quando um fluxo luminoso incide sobre o material semicondutor, os fótons podem fornecer aos elétrons energia suficiente para produzir a ruptura de ligações covalentes. A ação dos fótons ocasiona a produção de par elétron-lacuna, o que provoca um aumento da condutividade do semicondutor. Esse fenômeno é conhecido como fotocondutividade.

  Quanto às Células fotovoltaicas, conforme o nome indica,

tais células produzem uma tensão elétrica quando submetidas à ação de um fluxo luminoso. Sua utilidade se estende na busca por energia alternativa.

SEMICONDUTORES

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APLICAÇÕES DOS SEMICONDUTORES

Microeletrônica: O advento da Microeletrônica foi um dos mais notáveis avanços tecnológicos no campo da eletrônica, sendo fundamentalmente oriundo das necessidades inerentes ao programa espacial americano com relação a peso, dimensões, potência consumida e confiabilidade. As restrições impostas nestes casos eram impossíveis de serem satisfeitas com os circuitos convencionais, usando componentes discretos.

  Um dos setores da Microeletrônica é responsável pelos

Circuitos Integrados (CIs). Os circuitos integrados ou chips são uma fina pastilha de silício, onde estão agrupados circuitos microscópicos que podem conter milhões de componentes eletrônicos como resistores, capacitores, transistores, etc.

SEMICONDUTORES

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APLICAÇÕES DOS SEMICONDUTORES

Microeletrônica: O advento da Microeletrônica foi um dos mais notáveis avanços tecnológicos no campo da eletrônica, sendo fundamentalmente oriundo das necessidades inerentes ao programa espacial americano com relação a peso, dimensões, potência consumida e confiabilidade. As restrições impostas nestes casos eram impossíveis de serem satisfeitas com os circuitos convencionais, usando componentes discretos.

  Um dos setores da Microeletrônica é responsável pelos

Circuitos Integrados (CIs). Os circuitos integrados ou chips são uma fina pastilha de silício, onde estão agrupados circuitos microscópicos que podem conter milhões de componentes eletrônicos como resistores, capacitores, transistores, etc.

SEMICONDUTORES

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A principal característica de uma carga elétrica é a sua capacidade de interagir com outras cargas elétrica (atraindo-as ou repelindo-as, dependendo dos seus sinais). 

Esta capacidade está relacionada ao campo elétrico que estas cargas geram ao seu redor, como se fosse uma “aura” envolvendo-as.  

Na prática o que acontece é o seguinte: Uma carga  Q  sempre gera um campo elétrico ao seu redor, que

é invisível mas existe; ele pode ser percebido se colocarmos uma outra carga q(denominada carga de prova) nas proximidades desta. Esta carga de prova q  será atraída ou repelida, dependendo do seu sinal, e a força elétrica responsável por isso pode ser calculada usando-se a Lei de Coulomb.

CAMPO ELÉTRICO

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Mas será que podemos calcular também o valor do campo elétrico presente em uma região do espaço?

Podemos também, calcular o valor do campo elétrico presente em uma região do espaço; pegando uma carga de prova q de valor conhecido e coloque-a em uma região do espaço onde exista um campo elétrico. Ela certamente será atraída ou repelida, ou seja, em ambos os casos haverá uma força elétrica F que agirá sobre a pequena carga q. Se soubermos o valor desta força, poderemos calcular o valor do campo elétrico usando a expressão:

CAMPO ELÉTRICO

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E é o valor do campo elétrico, e sua unidade é N/C (Newton por Coulomb) F é o valor da força elétrica, em Newtons (N) que atua sobre a carga c de prova q, medida em Coulomb (C).

Obs:  Aqui não é necessário saber o valor da Carga Q geradora do campo elétrico, mas somente da carga q que foi colocada próxima do mesmo.

Cálculo do campo elétrico através da carga geradora (Q) Deve-se saber antes, que:

CAMPO ELÉTRICO

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Cargas positiva geram campos que repelem (ou seja, o vetor campo elétrico sempre aponta para a carga geradora). Podemos ver que o vetor campo elétrico E existente no ponto P.

CAMPO ELÉTRICO

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Cargas positivas geram campos de afastamento (ou seja, o vetor campo elétrico aponta para o sentido contrário ao do centro da carga geradora). Podemos ver que o vetor campo elétrico E existente no no ponto P.

A maneira para se calcular a intensidade de um campo elétrico, em um ponto P qualquer, usando a carga geradora Q, é usando a equação a seguir:

CAMPO ELÉTRICO

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K é a constante eletrostática, que vale 9 x 109 Nm2 /C2.  Q é o o valor da carga geradora, em Coulomb, e d  é a distância em metros entre a carga geradora e o ponto onde queremos calcular o valor do campo elétrico E.

CAMPO ELÉTRICO

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Potencial elétrico (também chamado potencial eletrostático ou apenas potencial), ele está diretamente ligado ao desenvolvimento de circuitos, micro chips, e vários outros equipamentos de alta e baixa tecnologia.

Esse desenvolvimento tecnológico está intimamente ligado a conceitos básicos de várias áreas de pesquisas e principalmente com o eletromagnetismo.

Assim como na mecânica e na termodinâmica, oeletromagnetismo também possui suas leis básicas que são denominadas leis de Maxwell.

POTENCIAL ELÉTRICO

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Maxwell assim como Newton foi um grande gênio da Física. Ele conseguiu sintetizar todo o eletromagnetismo em apenas quatro leis básicas para descrever toda essa teoria.

Uma de suas leis que também é um conceito básico do eletromagnetismo é de que o campo elétrico é gerado por cargas elétricas. Pode-se interpretar isso como: Se existem cargas elétricas, essas cargas estão gerando campos elétricos ao seu redor no espaço.

Os campos elétricos são grandezas vetoriais, ou seja, possuem módulo, direção e sentido e podem ser também representados por uma grandeza equivalente ao campo elétrico, porém com características escalares (grandezas escalares são grandezas que não possuem direção e sentido) que é chamado de potencial elétrico.

POTENCIAL ELÉTRICO

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O esquema abaixo representa o campo elétrico na cor preta e o potencial elétrico na cor azul de uma carga puntiforme.

POTENCIAL ELÉTRICO

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Em um sistema de duas cargas elétricas de sinais contrários (uma carga positiva e outra carga negativa), elas irão se atrair e então irão modificar sua posição no espaço.

Pode-se pensar nessa mudança de posição como sendo uma realização de trabalho que o campo elétrico de uma carga exerce em outra. Pode-se pensar que o campo elétrico de uma carga está realizando trabalho sobre a outra carga.

A grandeza que mede essa capacidade de realizar trabalho dá-se o nome de potencial elétrico.

POTENCIAL ELÉTRICO

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Para realizar o cálculo do potencial, pode-se colocar uma carga de prova q a uma distância d e medir o quanto essa carga vai adquirir de energia potencial.

Ao colocar a carga de prova, ela irá se deslocar e então se pode pensar em termos de energia. O tipo de energia que está associado à interação de dois corpos distintos através de um campo e sua posição no espaço é a energia potencial que nesse caso será adquirida pela carga de prova.

E como a energia potencial na mecânica depende da propriedade do corpo que no caso é a massa, no eletromagnetismo essa propriedade vai ser a carga elétrica q. Então a energia potencial adquirida pela carga de prova será proporcional sua carga q.

POTENCIAL ELÉTRICO

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Considerando uma carga de prova q que adquire certa energia potencial Ep em um ponto do espaço, então opotencial dessa carga nesse ponto pode ser representado matematicamente por:

No qual: V será o potencial elétrico Ep será a energia potencial adquirida q será a carga A energia potencial adquirida pela carga de prova q, é calculada como sendo o campo elétrico E gerado pela carga Q multiplicado pela distância d de separação entre a carga de prova e a carga Q. Então:

POTENCIAL ELÉTRICO

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O potencial elétrico V então ser tornará:

Como o potencial elétrico é uma grandeza escalar, quando se quer calcular o potencial resultante de um sistema com várias cargas, basta calcular o potencial isolado de cada carga e depois somá-los como no esquema abaixo.

POTENCIAL ELÉTRICO